鉅大LARGE | 點擊量：808次 | 2021年11月23日
華東理工研發(fā)新型超薄勃母石涂層隔膜 提升鋰離子電池安全性
安全性一直是鋰離子電池關(guān)注的要點，隨著鋰離子電池能量密度的不斷提高，隔膜等非活性材料也在不斷的減薄，從而使得鋰離子電池安全性風(fēng)險不斷升高，去年被炒的火熱的三星Note7手機(jī)爆炸事件，據(jù)信就是由于追求高能量密度，從而導(dǎo)致隔膜減薄，使得電池安全性降低，電池在特定的情況下會發(fā)生爆炸起火。為了提高鋰離子電池的安全性，特別是在短路和針刺等特殊情況下的安全性，人們開發(fā)了新型的涂層隔膜，在發(fā)生短路或者內(nèi)短路的情況下，電池內(nèi)部發(fā)生過熱，經(jīng)過涂層處理后的隔膜能夠有效的阻止高溫收縮，從而防止正負(fù)極直接接觸短路，引發(fā)更為嚴(yán)重的熱失控，防止電池發(fā)生起火和爆炸等嚴(yán)重的安全問題。
傳統(tǒng)的涂層隔膜一般是使用Al2O3或者M(jìn)gO顆粒作為原料，涂層厚度一般為2-3um，最近來自華中科技大學(xué)的ChongwenYang等人開發(fā)了一種勃母石(AlOOH)涂層隔膜，據(jù)ChongwenYang表示，該隔膜能夠在保證熱穩(wěn)定性不變的前提下，大幅降低涂層的厚度1.15um，這重要是因為PE達(dá)到140℃融化后，AlOOH與PE之間相互融合出現(xiàn)穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)，從而防止PE隔膜繼續(xù)收縮，目前該研究成果已經(jīng)發(fā)表在了最新一期的《JournalofPowerSource》雜志上。
實驗中ChongwenYang將平均直徑為350nm的AlOOH顆粒(35%)，聚乙烯醇PVA(1%)，溶解在去離子水中，然后利用滾涂設(shè)備在16um的PE隔膜的正反面分別涂布一層上述漿料(1.15um)，然后在60℃下干燥24h，涂布層的厚度可以通過控制滾涂的速度來進(jìn)行控制。ChongwenYang分別測試了上述改造隔膜和未改造隔膜的收縮率和潤濕性，以及離子電導(dǎo)率，用來比較兩種隔膜的性能。
安全性一直是鋰離子電池關(guān)注的要點，隨著鋰離子電池能量密度的不斷提高，隔膜等非活性材料也在不斷的減薄，從而使得鋰離子電池安全性風(fēng)險不斷升高，去年被炒的火熱的三星Note7手機(jī)爆炸事件，據(jù)信就是由于追求高能量密度，從而導(dǎo)致隔膜減薄，使得電池安全性降低，電池在特定的情況下會發(fā)生爆炸起火。為了提高鋰離子電池的安全性，特別是在短路和針刺等特殊情況下的安全性，人們開發(fā)了新型的涂層隔膜，在發(fā)生短路或者內(nèi)短路的情況下，電池內(nèi)部發(fā)生過熱，經(jīng)過涂層處理后的隔膜能夠有效的阻止高溫收縮，從而防止正負(fù)極直接接觸短路，引發(fā)更為嚴(yán)重的熱失控，防止電池發(fā)生起火和爆炸等嚴(yán)重的安全問題。
傳統(tǒng)的涂層隔膜一般是使用Al2O3或者M(jìn)gO顆粒作為原料，涂層厚度一般為2-3um，最近來自華中科技大學(xué)的ChongwenYang等人開發(fā)了一種勃母石(AlOOH)涂層隔膜，據(jù)ChongwenYang表示，該隔膜能夠在保證熱穩(wěn)定性不變的前提下，大幅降低涂層的厚度1.15um，這重要是因為PE達(dá)到140℃融化后，AlOOH與PE之間相互融合出現(xiàn)穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)，從而防止PE隔膜繼續(xù)收縮，目前該研究成果已經(jīng)發(fā)表在了最新一期的《JournalofPowerSource》雜志上。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
實驗中ChongwenYang將平均直徑為350nm的AlOOH顆粒(35%)，聚乙烯醇PVA(1%)，溶解在去離子水中，然后利用滾涂設(shè)備在16um的PE隔膜的正反面分別涂布一層上述漿料(1.15um)，然后在60℃下干燥24h，涂布層的厚度可以通過控制滾涂的速度來進(jìn)行控制。ChongwenYang分別測試了上述改造隔膜和未改造隔膜的收縮率和潤濕性，以及離子電導(dǎo)率，用來比較兩種隔膜的性能。
在對隔膜進(jìn)行的其他性能測試中發(fā)現(xiàn)，結(jié)果如下表所示，從結(jié)果來看，改性隔膜的針刺強度和抗拉強度僅有輕微的下降，但是在透氣性方面卻相比原始PE隔膜有20%左右的下降，這將會對離子遷移出現(xiàn)一定的影響，但是好在這一劣勢被AlOOH改性隔膜良好的潤濕性所抵消，原始PE隔膜的潤濕角為42.5度，而AlOOH改性隔膜的潤濕角是0度，表明改性隔膜具有優(yōu)異的電解液潤濕性。
離子電導(dǎo)率也是影響隔膜離子通過性的一個重要的指標(biāo)，離子電導(dǎo)率測試是將隔膜制成扣式電池，然后采用交流阻抗方式進(jìn)行測試，然后利用下式進(jìn)行計算，其中d和S分別是隔膜的厚度和面積，Rb為等效電阻。測試結(jié)果顯示，AlOOH改性隔膜的離子電導(dǎo)率為6.56′10-3S/cm，而原始的PE隔膜的離子電導(dǎo)率僅為3.48′10-3S/cm。
ChongwenYang還利用上述隔膜制成了LTO半電池，用于測試改性隔膜的倍率性能和循環(huán)性能，測試結(jié)果如下圖所示。從倍率測試結(jié)果來看，在較高倍率下(1C和2C)，采用AlOOH改性處理的隔膜具有更好的性能。循環(huán)測試同樣表明AlOOH涂層處理能夠改善電池的循環(huán)性能，在1C倍率下循環(huán)100次后，AlOOH改性隔膜電池的容量保持率為96.3%，而原始PE隔膜電池的容量保持率為94.6%。
研究顯示，改性隔膜還能顯著的提升電池的過充性能，下圖是分別采用AlOOH改性隔膜和普通PE隔膜的LFP電池在3C倍率下過充到10V的實驗，圖a中，采用原始PE隔膜的電池在過充15min后，電池泄漏，并冒出大量白煙，電池表面溫度達(dá)到104.8℃，而采用AlOOH改性隔膜的電池在過充過程中沒有泄漏或者冒煙，電池表面溫度達(dá)到103.4℃。
總的來說，AlOOH涂層，能夠在較低的涂層厚度的前提下，顯著的提升隔膜的熱穩(wěn)定性，提升鋰離子電池的安全性，改善電池的倍率性能和循環(huán)性能，同時較薄的涂層厚度有助于提升鋰離子電池的體積能量密度和重量能量密度。
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